Процессы на границе жидкость-жидкость НТ-10 Растекание одной

Процессы на границе жидкость-жидкость НТ-10

Растекание одной жидкости по поверхности другой n Критерии растекания n SB/A =γА— γВ — γАв n Коэффициент SB/A имеет положительный знак, если растекание сопровождается уменьшением свободной энергии, т. е. является самопроизвольным. n Из определений работы адгезии и когезии видно, что коэффициент растекания равен разности между работой адгезии А к В и работой когезии В n SB/A=WAB-WBB.

Растекание одной жидкости по поверхности другой n Быстрое растекание пленки обычно наблюдается, когда жидкость с низким поверхностным натяжением наносится на поверхность жидкости с высоким поверхностным натяжением. n Жидкость с высоким поверхностным натяжением не будет растекаться по поверхности жидкости со значительно более низким поверхностным натяжением.

Пленки на поверхности жидкости n Поккельс обнаружила возможность регулирования площади пленки с помощью подвижного барьера. n Она, в частности, показала, что поверхностное натяжение пленки изменяется лишь до тех пор, пока удельная поверхность пленки не уменьшится до ~20 А 2 на молекулу (точка Поккельс). n В 1889 г. Рэлей пришел к выводу, что, очевидно, в точке Поккельс молекулы пленки касаются друга.

Пленки на поверхности жидкости n Согласно концепции, развитой Рэлеем, поверхностная пленка состоит из «плавающих» на поверхности молекул, которые слабо взаимодействуют между собой до тех пор, пока они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. n Сжатие пленки в точке Поккельс приводит к уменьшению полной свободной энергии системы. n В результате образуется дополнительная поверхность, т. е. поверхностное натяжение уменьшается.

Пленки на поверхности жидкости Рис. Современные пленочные весы. 1— контроль закручивания торсионной проволоки; 2 — привод подвижного барьера; 3 — держатель барьера; 4 — ванна; 5 — барьер; 6 — поплавок; 7 — зеркальце; 8 — коромысло для калибровки; 9 — стойка; 10 — торсионная проволока; // —барьеры из золотой фольги; 12 — проволочный держатель зеркальца; 13 — контроль уровня подвижного барьера; 14 — направляющая; 15 — винтовая передача.

Пленки на поверхности жидкости n 1. Газообразные пленки (G). n Пленка подчиняется уравнению состояния более или менее идеального газа; площадь, приходящаяся на одну молекулу, велика по сравнению с фактической площадью молекулы; пленка может неограниченно расширяться, не претерпевая фазовых изменений. Как и в случае обычного вещества, это состояние всегда достигается при достаточно больших площадях, приходящихся на молекулу, хотя на практике иногда даже при таких низких поверхностных давлениях, как 0, 001 дн/см, это состояние может все же не реализоваться

Пленки на поверхности жидкости n 2. Жидкие пленки (L). Существование таких пленок явно связано с коллективным взаимодействием между молекулами. Степень этого взаимодействия может быть различной. При экстраполяции на нулевое поверхностное давление кривые π—σ жидких пленок дают площади больше (иногда в несколько раз), чем площади соответствующего сечения молекул, что указывает на рыхлость и неупорядоченность структуры этих пленок.

Пленки на поверхности жидкости n а. Растянутые жидкие пленки (L 1). Различают по крайней мере два типа L-пленок. Первый тип Адамсон и Гаркинс назвали растянутыми жидкими пленками или L 1 -пленками. При экстраполяции к n нулевому π L 1 -пленки, состоящие из молекул с одной цепью, характеризуются площадью около 50 А 2 (см. , например, кривую b на рис. n По сравнению с обычной жидкостью растянутые пленки обладают довольно высокой сжимаемостью. По-видимому, они однофазны и не содержат каких-либо островков или пятен, различимых, например, путем зондирования поверхностного потенциала. n При низких давлениях L 1 -пленки совершают характерный переход первого рода в газообразное состояние. Сжатие этих пленок приводит к довольно быстрому, но не мгновенному переходу в пленку с более высокой сжимаемостью.

Пленки на поверхности жидкости n б. Конденсированные жидкие пленки (L 2). При сжатии пленки промежуточного типа наблюдается область постепенного перехода к линейной зависимости π—σ с относительно низкой сжимаемостью. Пленка, находящаяся в этой области, называется конденсированной жидкой пленкой, L 2 -пленкой или пленкой с «плотноупакованными головками, перегруппировавшимися при сжатии» . n При низких температурах последовательность L 2—I—L 1 может перейти в кривую, характерную для пленки типа L 2, которая либо переходит в газообразное состояние, либо неограниченно расширяется, не обнаруживая точек излома (кривая е на рис. III 17), как если бы она находилась при температурах -выше критической. n Адамсон назвал такие пленки «растянутыми паровыми пленками» , поскольку к моменту завершения расширения они относятся скорее к пленкам типа G, а не L 1.

Пленки на поверхности жидкости n 3. Твердые пленки (S). Некоторые пленки, например пленки жирных кислот на воде, характеризуются совершенно линейными зависимостями π—σ, которые при экстраполяции на нулевое давление дают площадь 20, 5 А 2. n Сжимаемость таких пленок мала и близка к сжимаемости твердого вещества, что наряду с низкой предельной площадью, вероятно, указывает на плотную упаковку углеводородных цепей. Пленки этого типа ведут себя как вполне твердое тело. Так, если поверхность посыпать тальком, то -можно наблюдать, что целые куски пленки движутся как единое целое. При низких давлениях S -пленки иногда могут переходить в L 2 -пленки (кривая 1 на рис. Ш -17). n Приведенная классификация является сильно упрощенной.

Пленки на поверхности жидкости Рис. III-17. Схема состояний монослоев.

Гравитационно-капиллярные волны n Волновое движение возникает на поверхности жидкостей, когда меняются под действием внешних причин формы её границ. n Формирование волн этого типа происходит за счёт действия сил тяжести и поверхностного натяжения, поэтому эти волны часто называют гравитационно-капиллярными.

Гравитационно-капиллярные волны n Всё многообразие форм и размеров волн на поверхности жидкости можно условно свести к четырём основным типам (рис. 13. 1). n На больших глубинах в открытом море при сильном ветре образуются волны, профиль которых не является обычной гармонической функцией (рис. 3. 1, а). Эти волны описываются гиперболическими функциями. n После прекращения ветра на глубокой воде ещё довольно продолжительное время существуют волны, именуемые мёртвой зыбью (рис. 13. 1, б), профиль этих волн описывается трохоидой, которая представляет собой траекторию точки, расположенной на катящейся окружности.

Гравитационно-капиллярные волны Рис. 2. Профили волн

Гравитационно-капиллярные волны n Существенно отличны от остальных волны, набегающие на мелководье (рис. 13. 1, в). По мере уменьшения глубины профили волны меняется за счёт того, что условия движения верхушки волн отличаются от условий перемещения подошвы, которая тормозится дном. n Совершенно загадочными являются одиночные волны – солитоны (рис. 3. 1, г), изучение которых началось совсем недавно, всего 150 лет назад. n Первое объяснение этого феномена появилось позже, в основе теории солитонов лежит эффект «взаимодействия» нелинейности и дисперсии.

Течения Марангони n Известно, что жидкость может приходить в движение под действием как объемных (массовых), так и поверхностных сил. Из массовых наиболее распространенной является сила Архимеда, возникающая при локальном изменении плотности жидкости, находящейся в гравитационном поле. n Под влиянием архимедовой силы объемы жидкости с меньшей (по сравнению с окружающей средой) плотностью всплывают, вытесняя вниз объемы с большей плотностью. n Поверхностные (капиллярные) силы, действующие тангенциально к свободной или межфазной поверхности жидкости, появляются при наличии неоднородности поверхностного натяжения и направлены в сторону его увеличения.

Течения Марангони n Вовлекая в движение поверхность и прилегающие к ней слои жидкости, эти силы инициируют развитие объемного конвективного течения, получившего название конвекции Марангони по имени итальянского ученого Карла Марангони, который одним из первых в конце XIX в теоретически рассмотрел модель движения жидкости под действием перепада поверхностного натяжения вдоль свободной поверхности

Течения Марангони n В свою очередь, причины формирования неоднородного распределения поверхностного натяжения могут быть различными. Наиболее простая и самая распространенная причина – зависимость σ от температуры. n Для большинства однокомпонентных органических жидкостей коэффициент поверхностного натяжения линейно уменьшается с ростом температуры, поэтому движение жидкости по поверхности оказывается направленным в более холодную область. n Такая конвекция Марангони называется термокапиллярной. n Термокапиллярное течение неизбежно возникает в неоднородно нагретых многофазных системах с поверхностью раздела между фазами (или со свободной поверхностью между жидкостью и газом) и может вносить существенный вклад в процессы тепло- и массообмена в этих средах.

Течения Марангони n В многокомпонентных жидкостях поверхностное натяжение может также зависеть и от химического состава контактирующих сред. n В частности, в бинарных растворах σ является функцией концентрации растворенного вещества. Характер этой зависимости определяется природой и физико-химическими свойствами компонентов смеси и чаще всего носит нелинейный характер. n Поэтому, неоднородное распределение примеси в растворе приводит к появлению на его поверхности напряжений, аналогичных термокапиллярным, и как резельтат, к развитию концентрационно-капиллярной конвекции. n В этом случае возникающее вдоль поверхности течение жидкости направлено в сторону увеличения концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Течения Марангони n Учитывая , что термин ПАВ охватывает несколько классов веществ, под поверхностноактивным мы подразумеваем тот компонент раствора, который имеет меньшее значение поверхностного натяжения и n молекулы которого поэтому должны преимущественно накапливаться на свободной поверхности данной жидкой смеси.

Течения Марангони n Концентрационные капиллярные течения играют определяющую роль в различных природных явлениях. n Одним из ярких классических примеров конвекции Марангони служат широко известные среди виноделов т. н. «винные слезы» , самопроизвольно стекающие иногда по внутренней стороне бокалов, заполненных спиртом или иной летучей жидкости. n Механизм этого явления заключается в том, что при удачном подборе соответствующих параметров (таких как крепость вина, форма бокала, смачиваемость его стенойк и т. д. ) в менисковой части жидкости, непосредственно прилегающей к стенкам бокала, за счет испарения происходит более интенсивное обеднение раствора спиртовой фазой , чем в остальном. n

Течения Марангони n В результате, возникающие вдоль поверхности концентрационные силы вынуждают спиртовый раствор натекать в мениск , заставляя тонкую пленку , практически незаметную для глаз, подниматься по стеклянной стенке, преодолевая силу тяжести. n Достигнув верхнего края бокала, раствор накапливается там в форме валика, откуда начинает периодически скатываться вниз в виде характерных капель ( «слез» ) воследствие развития «пальцеобразной» рэлей-тейлоровской гравитационной неустойчивости.

Течения Марангони n Течениями или конвекцией Марангони называют движение жидкости, вызванное неоднородностью поверхностного натяжения на границе раздела газжидкость или жидкость-жидкость. n Управляющим параметром, определяющим условие развития неустойчивости, связанной с непостоянством поверхностного натяжения, является число Марангони: n Ма = ΔТ (dγ/d. T)hp/χη

Течения Марангони

Течения Марангони